有机硅高分子材料在造福人类上的应用与贡献
来源：360+唐明扬 作者：强力化工 发布时间：2024-7-25 12:12 阅读次数：2413
医用高分子材料是指那些可用以诊断、治疗、修复或替换机体中的组织、器官或增进其功能的具有优良性能的高分子聚合物材料，是一门新兴的边缘学科，它涉及材料、生物、医学、物理、化学、制造以及临床医学等诸多学科领域。
自古以来，人类就不断与疾病和伤残作斗争，以求得自身和社会的生存和发展。早在公元前3500年，埃及人就用棉花纤维、马鬃缝合伤口。墨西哥印地安人用木片修补受伤的颅骨。公元前500年的中国和埃及墓葬中发现假牙、假鼻、假耳。进入20世纪，高分子科学迅速发展，新的合成高分子材料不断出现，为医学领域提供了更多的选择余地。1936年发明了有机玻璃（PMMA）后，很快就用于制作假牙和补牙，至今仍在使用。1943年，赛璐珞薄膜开始用于血液透析。1949年，美国首先发表了医用高分子的展望性论文。在文章中，第一次介绍了利用PMMA作为人的头盖骨、关节和股骨，利用聚酰胺纤维作为手术缝合线的临床应用情况。50年代，有机硅聚合物被用于医学领域，使人工器官的应用范围大大扩大，包括器官替代和整容等许多方面。此后，一大批人工器官在50年代试用于临床。如人工尿道（1950年）、人工血管（1951年）、人工食道（1951年）、人工心脏瓣膜（1952年）、人工心肺（1953年）、人工关节（1954年）、人工肝（1958年）等。 进入60年代，随着各个学科的发展，医用高分子材料开始进入一个崭新的发展时期，作为一门边缘学科，融和了高分子化学、高分子物理、生物化学、合成材料工艺学、病理学、药理学、解剖学和临床医学等多方面的知识，还涉及许多工程学问题，如各种医疗器械的设计、制造等。上述学科的相互交融、相互渗透，促使医用高分子材料的品种越来越丰富，性能越来越完善，功能越来越齐全。
我国作为世界人口最多的国家, 生物材料的市场潜力十分巨大。据民政部门报告: 我国现有的肢体不自由患者已超过1 500 万, 其中肢残患者约800 万;由类风湿引发的大骨节病患者有数百万; 冠心病患者已超过1 000 万; 白内障盲人约500 万; 牙缺损和牙缺失患者高达3 亿~ 4 亿人; 肝炎病毒携带者1. 2 亿; 心血管病患者2 000 万;需计划生育的育龄妇女2 000 万; 伴随人口老龄化( 60 岁以上的老年人口已达1. 39 亿人， 约占全国人口的10. 69%) 的骨质疏松患者7 000 万; 每年由于疾病、交通事故和运动创伤等造成的骨缺损和缺失患者人数近1 000 万人;需要进行颅颌面和胸部美容整形的人数有千万人。这还不包括数目庞大的各类软组、血液和器官疾病患者人数。
在美国等发达国家，还未见有像中国民政部发布的那些全面需求数据的报道，仅见有美国一些不完全数据，如每年有数以百万计的人患有各种组织、器官的丧失或功能障碍, 需进行800 万次手术进行修复, 年耗资超过400 亿美元, 器官衰竭和组织缺损所需治疗费占整个医疗费用的一半。
随着人民生活水平的提高和对生命质量的追求, 我国对医用高分子材料的需求也会不断增加。
2 医用高分子材料在医疗器械中的应用
|
用途
|
功能
|
主要使用的高分子材料
|
|
人工血管
|
置换病变血管或进行搭桥手术
|
聚酯纤维、真丝、膨体聚四氟乙烯、聚氨酯、
|
|
人工瓣膜
|
置换病变瓣膜
|
聚氨酯、聚四氟乙烯、低温同性碳、硅橡胶、聚酯纤维
|
|
人工脏及心脏辅助装置
|
置换心脏或加强病变心脏的功能
|
聚氨酯、聚氯乙烯、硅橡胶、天然橡胶、Aveothane-51
|
|
心脏补片
|
心脏修复手术
|
聚四氟乙烯、聚酯纤维
|
|
人工血浆
|
代替血浆、血液增容
|
右旋糖肝、羟乙基淀粉、聚乙烯基吡咯烷酮、聚N-羟丙基丙基烯酰胺
|
|
人工血红蛋白
|
代替红血球输运氧气
|
全氟三丁胺、全氟三丙胺、环氧乙烷与环氧丙烷共聚物乳胶
|
|
人工玻璃体
|
填充眼球玻璃体腔
|
硅橡胶海绵、聚四氟乙烯海绵、骨胶原
|
|
人工晶状体
|
娇治白内障
|
甲基丙西酸甲酯、甲基丙西酸羟乙酯共聚物、聚丙烯、有机硅凝胶
|
|
人工角膜
|
提供光线传递到视网膜的透径
|
甲基丙烯酸酯类共聚物水凝胶、共聚涤纶、硅橡胶
|
|
人工泪管
|
娇治泪道慢性阻塞
|
硅橡胶、聚甲基丙西酸酯、
|
|
隐形眼镜
|
矫正视力，治疗角膜疾患
|
聚甲基丙西酸羟乙酯及其与乙烯基吡咯烷酮的共聚物、硅橡胶、聚氨基酸、甲壳素衍生物
|
|
耳鼓膜
|
康复听力
|
硅橡胶
|
|
人工中耳骨
|
代替病变中耳骨，康复听力
|
聚四氟乙烯与碳纤维复合物Froplest、聚甲基丙西酸乙酯与羟基磷灰石共混物Geravial、 甲基丙西酸甲酯与苯乙烯共聚多孔骨水泥、聚乙烯
|
|
人工食道
|
食道根除术后重建食道
|
硅橡胶涤纶复合物、聚乙烯、聚四氟乙烯、天然橡胶
|
|
人工喉
|
喉头切除后发音功能恢复
|
硅橡胶涤纶复合物、膨体聚四氟乙烯、聚氨酯、聚乙烯、尼龙、聚甲基丙西酸甲酯
|
还需不断完善的有人工肾、人工心脏、人工肺、人工胰脏、人工眼球、人造血液等。另有一些功能较为复杂的器官，如人工肝脏、人工胃、人工子宫等。则正处于大力研究开发之中。从应用情况看，人工器官的功能开始从部分取代向完全取代发展，从短时间应用向长时期应用发展，从大型向小型化发展，从体外应用向体内植入发展、人工器官的种类从与生命密切相关的部位向人工感觉器官、人工肢体发展。
有机硅材料的特有性能
医用高分子材料是与人体组织和体液直接接触，除少数金属、陶瓷和碳素外，绝大部分是橡胶、纤维、模型塑料等合成高分子材料。以它们为原材料制出的人工脏器，即具有部分或全部代替人体某一器官功能的器件，有的只需在体内短期使用，如插入器件（导液管等），有的如用于体内埋置和组织工程用生物医用材料则需在体内停留较长时间，甚至整个生命期。因此对这类材料有严格的要求：（1）必须无毒，而且是化学惰性的。（2）与人体组织和血液相容性要好，不引起刺激、炎症、致癌和过敏等反应。（3）有所需的物理性能（尺寸、强度、弹性、渗透性等），并能在使用期间保持其不变。（4）容易制备、纯化、加工和消毒。
有机硅具有Si-O-Si类似石英结构的骨架，其键能达444（kJ.mol-1 ），远高于其他含C聚合物，这意味着要有更高的温度才可使它断裂，由于键能高于300 nm紫外光的能量、侧基受到保护且不含双键，所以不易为大气中的紫外线和臭氧分解。有机硅的这种耐高温、耐老化（包括生物老化）和耐紫外性能，使得由它制成的医用制品可经高温、辐照消毒、或长期植入人体而性能不变。
聚硅氧烷分子间作用力小，表面张力弱(MM的表面张力仅15.9MN/m，为表面张力最小的液体)，因而表面能小，所以有机硅具优异消泡性能。这开辟了它在医疗上治疗腹胀、肺水肿等疾病的应用领域，有机硅的良好不粘性，使得它在腹部手术中用作防止肠粘连的润滑剂，它的成膜性和高的热容量，使得有机硅在日用化妆品上也得到广泛应用。
聚硅氧烷分子自由体积大，分子彼此间距离也大，作用力小，恰如具微孔结构一般，使得低分子气体易于从分子自由体积间的空隙穿越，因而具有良好的透气性，通常为一般合成材料的20倍。有机硅的透气性，使得它在制造气调窗、半透膜、富氧膜以及某些医用材料上获得了应用。
有机硅原料易得、还易于加工成型的，硅橡胶可通过挤出、模压、流延等加工手段制成各类形状的制品。
综上所述，由于有机硅的耐生物老化、良好的生物稳定性和物理、机械性能,、易加工成型,、原料易得,、便于消毒灭菌等一系列优点，因此受到人们普遍关注, 已成为生物材料中用途广、用量大的品种之一。
友情链接